離散制造系統(tǒng)生產(chǎn)批量與設備維護的集成建模研究.pdf

1、離散制造系統(tǒng)中產(chǎn)品多以批量形式進行生產(chǎn)以滿足外部需求，批量問題的研究主要優(yōu)化和決策不同產(chǎn)品在一定計劃期內(nèi)的生產(chǎn)數(shù)量，以提高系統(tǒng)運作效率、控制產(chǎn)品庫存水平、降低企業(yè)運營成本。另一方面，生產(chǎn)設備是制造系統(tǒng)的核心要素之一，設備故障及維護活動干擾正常的生產(chǎn)運作，對系統(tǒng)能力評估、運營成本控制及批量計劃的可行性產(chǎn)生重要影響，適當?shù)木S護策略是保證設備性能的基礎與關(guān)鍵。由于批量的生產(chǎn)過程與設備狀態(tài)及維護活動的高度關(guān)聯(lián)性與耦合性，對相關(guān)問題展開集成研究有

2、助于科學統(tǒng)籌企業(yè)范圍內(nèi)的有限資源、降低系統(tǒng)運作的綜合成本、確保各項計劃的有效執(zhí)行，對提升國內(nèi)制造型企業(yè)的運營管理水平與競爭力具有重大實際意義。
　　產(chǎn)品需求可分為靜態(tài)和動態(tài)兩類，對應的批量模型包括經(jīng)濟制造數(shù)量問題(Economic manufacturing quantity，EMQ)和有限產(chǎn)能批量問題(Capacitated lot sizing problem，CLSP)，當前生產(chǎn)批量與設備維護問題的集成研究主要圍繞這兩個模型

3、展開。由于這一交叉領(lǐng)域的研究時間尚短，所提理論模型不能全面準確體現(xiàn)制造系統(tǒng)中不同要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及集成建模所能改進的綜合績效，具體表現(xiàn)在三個方面：(1)受限于已有的求解方法，部分故障條件下EMQ問題只能采用非最優(yōu)策略進行建模，增加了庫存水平與平均成本；(2)CLSP與設備維護集成模型所采用的建模策略未能有效反映生產(chǎn)負荷與設備狀態(tài)之間的對應關(guān)系，使決策結(jié)果存在過度維護現(xiàn)象；(3)生產(chǎn)批量與設備維護問題的研究對象以單設備系統(tǒng)為主，尚未擴展

4、至常見的多階段制造系統(tǒng)。
　　本文針對離散制造型企業(yè)的現(xiàn)實需求及已有研究存在的不足，分別對兩類批量模型與單設備維護問題的集成建模及優(yōu)化開展研究，并將CLSP與設備維護的研究對象擴展至流水線系統(tǒng)，主要研究工作如下：
　　(1)提出了一種動態(tài)方法求解設備故障條件下的EMQ模型，并通過求解方法的拓展改進了相關(guān)問題的建模策略。EMQ模型在批量決策時需考慮設備故障對生產(chǎn)進程與庫存水平的影響以實現(xiàn)平均成本最小化，可將相關(guān)模型進一步劃分為

5、遇故障批量不可恢復與可恢復兩類。動態(tài)方法根據(jù)故障的實際發(fā)生情況評估其對批量決策的影響，并由平均成本與邊際成本推導最優(yōu)批量，避免了過去研究中對設備故障與事后維護的嚴格假設。故障的抽樣仿真表明，動態(tài)方法求解不可恢復EMQ模型的績效與靜態(tài)方法一致，但對于可恢復EMQ問題，動態(tài)方法可結(jié)合改進后的建模策略有效降低產(chǎn)品庫存與平均成本。
　　(2)實現(xiàn)了基于設備運行建模策略下單設備 CLSP與設備維護的集成建模與優(yōu)化。為準確體現(xiàn)生產(chǎn)負荷對設備狀

6、態(tài)及可靠性的影響,采用了基于設備運行的建模策略對CLSP與設備維護展開研究，推導了設備的有效役齡、可靠性及故障預期。根據(jù)可靠性要求與故障影響程度的不同，提出了考慮可靠性約束與故障因素的兩個集成模型來驗證該建模策略的有效性，生產(chǎn)批量與設備維護分別在綜合成本、產(chǎn)能約束及可靠性約束層面建立關(guān)聯(lián)機制。算例表明，兩個集成模型均可在變動負荷條件下柔性調(diào)整預防性維護周期、降低系統(tǒng)運行的綜合成本。最后，設計了基于拉格朗日松弛的三階段啟發(fā)式算法求解考慮可

7、靠性約束的集成模型，數(shù)值試驗表明該算法具有較好的求解效率和質(zhì)量。
　　(3)提出了非穩(wěn)態(tài)流水線系統(tǒng)的生產(chǎn)能力評估方法，實現(xiàn)了流水線條件下 CLSP與設備維護的集成建模與優(yōu)化。首先對流水線系統(tǒng)生產(chǎn)能力的評估方法展開研究，定義了系統(tǒng)運作的問題邊界，推導了在制品在不同設備的開始加工-離開時間的遞推關(guān)系式，結(jié)合故障的抽樣仿真評估了批量生產(chǎn)期間的系統(tǒng)能力。將上述能力評估方法作為構(gòu)建和評估流水線條件下CLSP能力約束的基礎，集成建模了生產(chǎn)批量